KR100959079B1 - 열방출이 개선된 전면발광형 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 한면 또는 양면상에 하나 이상의 홈이 일정 간격으로 형성된 제 1 기판; 및 (b) 제 1면 상에 발광다이오드부가 성장된 사파이어 기판을 포함하는 접합체로서, 상기 제 1 기판과 사파이어 기판의 발광다이오드부가 접합제에 의해 서로 접합된 것이 특징인 접합체, 상기 접합체를 이용한 단위칩(unit chip) 및 상기 단위칩을 포함하는 발광다이오드 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 사파이어 기판을 사용하는 고출력 발광 다이오드의 제작에 있어서 사파이어 기판의 두께를 유의적으로 감소시킴으로써 열방출 효율을 현저하게 개선시킬 뿐만 아니라, 두께가 감소된 사파이어 기판을 지지하는 제 1 기판으로서 일정 간격의 홈이 형성된 것을 사용함으로써 제조 공정의 단순성 확보 및 공정 수율 향상을 도모할 수 있다.
질화갈륨, 발광 다이오드, 사파이어 기판, 열 전도도, 열방출
Description
도 1은 저ㆍ중 출력용 질화갈륨계 전면발광형 발광다이오드 소자의 단면 구조도이다.
도 2는 고출력용 질화갈륨계 플립칩 발광다이오드 소자의 단면 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전면발광용 발광다이오드 소자의 제작 공정을 도시한 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
10: 사파이어 기판 20: 리드프레임
30: 서브마운트 40: 플립칩 본딩금속
11: 음극 12: 양극
13 : 발광층
본 발명은 열방출 효율이 현저하게 개선된 고출력용 전면발광형 발광 다이오 드 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전도도가 양호하지 않은 사파이어 기판으로 인한 열방출 효율 저하를 개선하고자 사파이어 기판의 두께를 유의적으로 감소시키는 전면발광형 발광 다이오드 소자의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 발광다이오드 소자에 관한 것이다.
질화갈륨계 화합물 반도체로 만들어지는 청색 및 녹색 발광 다이오드는 1990년대 후반 상용화에 성공하여 현재 방대한 시장을 형성하고 있다. 백색 발광 다이오드 또한 질화갈륨계 화합물 반도체로 만들어지는데, 최근 상용화에 성공하여 급속한 속도로 성장하고 있다. 특히, 백색 발광 다이오드는 종래 백열등과 형광등을 대체할 것으로 기대되고 있어 세계적으로 활발히 연구되고 있는 실정이다.
상기 발광 다이오드를 제조하기 위한 질화갈륨계 화합물 반도체의 성장에는 주로 430㎛ 두께의 사파이어 기판이 이용된다. 사파이어 기판은 절연체이므로, 발광 다이오드의 양극과 음극 전극이 웨이퍼의 전면에 형성된다.
일반적으로 저·중 출력용 질화갈륨계 발광 다이오드는 도 1에 도시된 바와 같이 결정 구조가 성장된 사파이어 기판(10)을 리드프레임(20)에 올린 후, 양(兩) 전극(11, 12)을 상부에 연결하는 방식으로 제작된다. 이때 열방출 효율을 개선하기 위하여 초기 430 ㎛ 정도 두께의 사파이어 기판을 약 80 ㎛ 정도의 두께로 얇게 하여 리드프레임에 붙이게 된다. 그러나, 사파이어 기판의 열전도도는 약 50 W/m·K이기 때문에 두께를 80 ㎛ 정도로 하더라도 열저항이 크다. 따라서, 도 1에 도시되는 전면발광형 구조는 저·중 출력용 발광 다이오드 제작에 주로 사용되고, 고출력용에 적용되기에는 어려운 실정이다.
열방출 특성을 보다 개선하기 위하여, 1 × 1 mm2 이상의 칩면적을 갖는 고출력 질화갈륨계 발광 다이오드 소자의 개발 초기에는 도 2에 도시된 바와 같이 플립칩 발광 다이오드 방식이 주로 연구되었다.
플립칩 방식은 발광 다이오드 구조가 만들어진 칩을 열전도도가 우수한 실리콘 웨이퍼(150 W/mK)나 AlN 세라믹(약 180 W/mK) 기판 등의 서브마운트(40)에 뒤집어 붙이는 것이다. 이 경우 서브마운트 기판(30)을 통하여 열이 방출되므로 사파이어 기판(10)을 통하여 열을 방출하는 경우보다는 열방출 효율이 개선되기는 하나, 제작 공정이 일반적인 구조의 전면발광형 보다 훨씬 복잡할 뿐만 아니라 플립칩 본딩 공정의 수율이 낮아서 생산단가가 높고 양산성이 떨어지는 단점이 있다.
전술한 문제점들로 인해, 최근에는 주요 선진업체들이 플립칩 발광 다이오드의 양산을 포기하고 기존의 전면발광형 고출력 발광 다이오드를 양산화 하려는 경향을 나타내고 있으나, 사파이어 기판의 낮은 열전도도로 인하여 소자의 수명이 단축되는 등 열적인 문제에 직면하고 있다. 따라서, 당 기술 분야에서는 제작 공정이 간단하고 양산성이 뛰어난 전면발광형 고출력 발광 다이오드의 열방출 효율 개선이 절실히 요구되고 있다.
한편, 종래의 기술에 의한 전면발광형 발광다이오드 소자 내 구비되는 사파이어 기판은 하기와 같은 공정에 의해 가공된다. 즉, 사파이어 기판상에 발광 다이오드부가 형성된 면을 상기 사파이어 기판 보다 크기가 큰 세라믹 블록에 왁스 등을 이용하여 접합한다. 왁스는 상온에서는 고체이나 125℃ 정도의 온도에서는 액체 로 변하므로, 이러한 성질을 이용하여 125℃ 정도의 온도에서 왁스를 녹여 사파이어 기판과 세라믹 블록을 접합한 후 상온으로 식힌다. 왁스에 의해 세라믹 블록에 단단히 고정된 사파이어 기판의 뒷면을 그라인딩, 래핑 및 폴리싱하여 약 80 ㎛ 정도로 얇게 한 후, 세라믹 블록을 왁스의 용융점 이상의 온도로 가열하여 사파이어 기판을 분리시킨다. 이와 같은 가공을 통해 초기의 두께가 약 430 ㎛ 정도이던 사파이어 기판은 약 80 ㎛ 정도의 두께로 가공된다. 그러나, 열방출 개선을 위하여 두께를 더 얇게 할 경우에는 사파이어 기판의 휘어짐이 심각해질 뿐만 아니라 세라믹 블록으로부터 분리되는 것만으로도 사파이어 기판이 깨지게 된다. 따라서, 현재 가공 기술에 의해 구현될 수 있는 사파이어 기판 두께의 한계는 80 ㎛ 정도가 된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자들은 원하는 두께 범위로 가공된 사파이어 기판과 세라믹 블록과의 접합체로부터 사파이어 기판을 분리할 때 발생하는 전술한 문제점을 인식하고, 이를 해결하기 위해 사파이어 기판을 고정시켜주는 역할을 하는 상기 세라믹 블록(제 2 기판) 이외에 또 다른 기판(제 1 기판), 즉 단위칩 형성 단계에서도 가공된 사파이어 기판을 지속적으로 고정시켜주며, 이후 가공된 사파이어 기판과 리드프레임과의 접합 단계에 이르러서야 비로소 사파이어 기판으로부터 분리되는 제 1 기판을 사파이어 기판과 상기 제 2 기판 사이에 사용하는 신규 제조방법을 수행하고자 하였다. 그러나 제 1 기판과 사파이어 기판이 서로 접합된 상태에서 단위칩(unit chip)을 형성시, 제 1 기판의 브레이킹 (breakin)이 잘 이루어지지 못하여 이후 공정에 차질이 발생할 뿐만 아니라 이로 인해 제조 수율이 저하된다는 것을 최초로 인식하였다.
이에, 본 발명은 제 1 기판과 사파이어 기판이 접합된 상태에서 단위칩 형성이 용이하게 이루어지도록, 사파이어 기판 상에 제작된 단위 발광다이오드들 사이의 향후 브레이킹을 수행할 위치와 일치하도록 일정 간격의 홈이 형성된 제 1 기판을 사용하는 발광다이오드 소자용 접합체 및 이로부터 제조된 단위칩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 사파이어 기판의 두께를 80㎛ 보다 획기적으로 감소시켜 열방출 효율을 현저하게 개선시킬 뿐만 아니라, 제조 공정의 단순성 및 대량 양산성이 구현되는 발광다이오드 소자의 제조방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 (a) 한면 또는 양면상에 하나 이상의 홈이 일정 간격으로 형성된 제 1 기판; 및 (b) 제 1면 상에 발광다이오드부가 성장된 사파이어 기판을 포함하는 접합체로서, 상기 제 1 기판과 사파이어 기판의 발광다이오드부가 서로 접합된 것이 특징인 접합체 및 상기 접합체 중 사파이어 기판의 두께를 5 내지 80㎛ 범위로 가공한 후, 제 1 기판의 한면 또는 양면상에 형성된 홈 부위를 절단하여 분리된 단위칩(unit chip)을 제공한다.
또한, 본 발명은 사파이어 기판상에 성장된 발광다이오드부를 구비한 발광다이오드 소자의 제조방법에 있어서, (a) 제 1 기판의 한면 또는 양면상에 하나 이상 의 홈을 일정 간격으로 형성하는 단계; (b) 사파이어 기판상에 성장된 발광다이오드부와 제 1 기판의 제 1면을 제 1 접합제를 사용하여 접합시키는 단계; (c) 상기 접합체의 제 1 기판의 제 2면과 제 2 기판의 제 1면을 제 2 접합제를 사용하여 접합시키는 단계; (d) 상기 단계 (c)의 결과물인 접합체 중 사파이어 기판의 제 2면을 가공한 후, 제 2 기판을 분리하는 단계; (e) 상기 단계 (d)의 결과물인 제 2 기판이 분리된 접합체를 단위 칩으로 분리하는 단계; 및 (f) 상기 단위 칩 중 가공된 사파이어 기판의 제 2면을 리드프레임에 접합시킨 후, 제 1 기판을 분리하는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 열방출 효율을 개선하기 위해 원하는 두께 범위로 가공된 사파이어 기판을 가공 단계 이후, 즉 단위칩 형성 단계에서도 지속적으로 고정하여 구조적 안정성을 도모할 뿐만 아니라, 사파이어 기판과 접합된 상태에서 스크라이빙 및/또는 브레이킹 공정을 용이하게 수행하여 단위칩을 형성할 수 있는 제 1 기판을 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징으로 인해, 본 발명의 발광다이오드 소자는 하기와 같은 효과를 나타낼 수 있다.
1) 종래 사파이어 기판의 가공에 사용되는 세라믹 블록(제 2 기판)은 사파이어 기판을 얇게 하기 위한 가공에만 이용한 후 단위칩 형성을 위해서는 사파이어 기판으로부터 분리하여야 하였다. 이에 비해, 본 발명의 제 1 기판은 사파이어 기판과 접합된 상태에서 세라믹 블록(제 2 기판)에 다시 접합되어 사파이어 기판을 원하는 두께, 예컨대 80㎛ 미만으로 가공한 후, 세라믹 블록으로부터 사파이어 기판과 제 1 기판의 접합체를 분리하여도 제 1 기판에 의한 고정으로 인해 사파이어 기판의 휘어짐이나 깨짐 현상을 방지할 수 있다.
2) 또한, 제 1 기판으로서 스크라이빙 및 브레이킹 공정이 수행 가능한 재질을 사용할 뿐만 아니라, 사파이어 기판과 접합시 이미 하나 이상의 홈이 일정 간격으로 형성된 기판을 사용함으로써, 사파이어 기판이 접합된 상태에서 스크라이빙/브레이킹 처리를 통해 단위칩 형성이 용이할 뿐만 아니라, 제조 수율 향상 및 대량 양산성을 확보할 수 있다.
3) 나아가, 가공된 사파이어 기판이 리드프레임과의 접합을 통해 구조적 안정성이 도모될 때 비로소 상기 사파이어 기판으로부터 제 1 기판이 분리되므로, 종래 사파이어 기판과 세라믹 블록(제 2 기판)과의 분리시 발생하는 사파이어 기판의 휘어짐 또는 깨짐 등의 문제점이 발생하지 않는다. 따라서, 사파이어 기판의 최종 두께를 종래 제조 공정의 한계인 80㎛ 이하, 바람직하게는 40㎛ 이하로 구현함으로써, 전면발광형 발광다이오드 소자 보다 약 2배 이상의 열방출 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 발광다이오드 소자용 접합체는 제 1 기판과 발광다이오드부가 성장된 사파이어 기판을 포함하며, 이들이 서로 접합된 구조이다. 상기 접합체의 일 실시 형태를 보다 상세히 설명하면, (a) 한면 또는 양면상에 하나 이상의 홈이 일정 간격으로 형성된 제 1 기판; 및 (b) 제 1면 상에 발광다이오드부가 성장된 사파이어 기판을 포함하며, 상기 제 1 기판과 사파이어 기판의 발광다이오드부가 접합제에 의해 서로 접합된 것이다. 또한, 다른 일 실시 형태로는 사파이어 기판 상에 일정 간격으로 존재하는 하나 이상의 발광다이오드부가 제 1 기판의 한면 또는 양면상에 형성된 홈 사이의 공간에 배치되어 접합제에 의해 접합된 것이다.
상기 접합체를 구성하는 제 1 기판은 발광다이오드부를 통해 사파이어 기판을 고정시켜주는 역할만 한다면 이의 재질, 크기 또는 두께 등이 특별히 제한되지 않으나, 사파이어 기판과 접합된 상태에서 단위칩으로 분리하기 위한 스크라이빙/브레이킹 공정을 수행할 수 있어야 하므로 가능한 잘 쪼개지는 특성을 갖는 재질, 예컨대 실리콘 또는 알루미나 등으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 사파이어 기판과 가능하면 동일한 크기 및 형태를 갖는 것이 바람직하나, 이를 제한하는 것은 아니다. 상기 제 1 기판의 바람직한 크기 및 두께 범위는 각각 2 인치 크기, 150 ~ 300 ㎛ 정도이나 이를 제한하는 것은 아니며, 제 1 기판의 비제한적인 예로는 실리콘 웨이퍼, 알루미나 세라믹 웨이퍼 등이 있다.
상기 제 1 기판은 사파이어 기판과 접합된 상태에서 용이한 단위칩 형성을 위해 한면 또는 양면 상에 하나 이상의 홈이 일정 간격으로 형성된 것이 바람직하며, 이때 홈은 다이아몬드 팁, 레이저 등에 의한 스크라이빙(scribing) 및/또는 다이싱(dicing) 공정에 의해 형성될 수 있다. 홈의 형태는 특별한 제한이 없으나 서로 평행한 직선 형태의 수직 패턴이거나 또는 하나 이상의 직선이 교차하는 격자(cross stripes) 패턴일 수 있다. 또한 홈의 위치는 사파이어 기판 상에 제작된 발광다이오드를 자르는 부분과 일치하여 정렬하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다이싱(dicing) 공정에 의한 경우, 형성된 홈의 폭(width)은 15 내지 250㎛ 범위, 홈의 깊이(depth)는 제 1 기판 두께의 5 내지 50% 범위인 것이 바람직하며, 스크라이빙(scribing) 공정시에는 홈의 폭과 깊이를 임의로 조절하기가 어려운 점이 있으나, 홈의 폭(width)은 1 내지 100 ㎛ 범위, 홈의 깊이(depth)는 1 내지 제 1 기판 두께의 50% 범위(제 1 기판의 두께가 식별번호 0029에 기재된 것처럼 150~300 ㎛인 경우에는 1 내지 150 ㎛ 범위)가 바람직하다.
본 발명의 접합체를 구성하는 사파이어 기판은 제 1면 상에 발광다이오드부가 성장되기만 하면 사용 가능하다. 이때 발광다이오드부는 사파이어 기판상에 연속적으로 존재할 수 있으며, 또는 하나 이상의 발광다이오드부가 사파이어 기판 상에 일정 간격으로 존재할 수 있다. 전술한 사파이어 기판인 경우, 접합체는 한면 또는 양면상에 하나 이상의 홈이 일정 간격으로 형성된 제 1 기판과 사파이어 기판의 발광다이오드부가 접합제에 의해 서로 접합된 형태가 되며, 후자인 경우 사파이어 기판 상에 일정 간격으로 존재하는 하나 이상의 발광다이오드부가 제 1 기판의 한면 또는 양면상에 형성된 홈 사이의 공간에 배치되어 접합제에 의해 접합된 형태가 된다(도 3b 참조).
상기 사파이어 기판은 가공되지 않을 수 있으며, 또는 그라인딩(grinding), 래핑(lapping), 폴리싱(polishing) 처리된 것일 수 있다. 가공된 사파이어 기판일 경우, 가공면(제 2면)은 경면(鏡面)이 형성된다. 또한, 가공된 사파이어 기판의 두께는 특별한 제한이 없으나, 열방출 효율 증대를 위해 가능하면 5 내지 80㎛ 범위가 바람직하다.
본 발명은 전술한 접합체 중 사파이어 기판의 두께를 5 내지 80㎛ 범위로 가 공한 후, 제 1 기판의 한면 또는 양면상에 형성된 홈 부위를 절단하여 분리된 단위칩(unit chip)을 제공한다.
이때, 홈의 절단 방법으로는 특별한 제한이 없으나, 제조 공정상 스크라이빙(scribing) 및 브레이킹(breaking) 공정이 바람직하다.
일반적으로 사파이어 기판을 80㎛ 이하로 가공하면, 통상적인 스크라이빙만을 수행하여도 접합체 표면의 스크라이빙된 홈과 함께 수직방향으로 금(crack)이 발생하여 단위칩으로 분리된다. 따라서 이후 브레이킹 공정시에는 이미 일정 간격의 홈이 형성된 제 1 기판만을 홈 부위를 따라 브레이킹 하면 된다. 또한, 사파이어 기판은 레이저에 의해서도 스크라이빙 가능한데, 이때는 사파이어 기판이 단위칩으로 분리되지 않고 약 10 내지 20㎛ 정도의 깊이로 스크라이빙되므로 이후 브레이킹 공정에서 사파이어 기판과 제 1 기판이 동시에 단위칩으로 분리된다.
본 발명은 전술한 접합체 및 단위체를 통해 이루어진 발광다이오드 소자를 제공한다. 이때 상기 발광다이오드 소자는 제조 방식, 출력 방식, 발광 파장 범위에 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명의 발광다이오드 소자는 다양한 방식에 따라 제조될 수 있으나, 이의 바람직한 일 실시예로는 (a) 제 1 기판의 한면 또는 양면상에 하나 이상의 홈을 일정 간격으로 형성하는 단계; (b) 사파이어 기판상에 성장된 발광다이오드부와 제 1 기판의 제 1면을 제 1 접합제를 사용하여 접합시키는 단계; (c) 상기 접합체의 제 1 기판의 제 2면과 제 2 기판의 제 1면을 제 2 접합제를 사용하여 접합시키는 단계; (d) 상기 단계 (c)의 결과물인 접합체 중 사파이어 기판의 제 2면을 가공한 후, 제 2 기판을 분리하는 단계; (e) 상기 단계 (d)의 결과 물인 제 2 기판이 분리된 접합체를 단위칩(unit chip)으로 분리하는 단계; 및 (f) 상기 단위칩 중 가공된 사파이어 기판의 제 2면을 리드프레임에 접합시킨 후, 제 1 기판을 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 사파이어 기판의 제 2면과 리드프레임의 접합(f)에 있어서 접합력 개선이 필요할 경우, 상기 사파이어 기판과 제 1 기판의 접합체를 단위 칩으로 분리하는 단계(e) 이전에 사파이어 기판의 제 2면에 Au, Ag 계열의 금속을 진공 증착할 수 있다.
이하, 본 발명의 제조방법 중 가장 차별화된 특징부, 예컨대 사파이어 기판의 가공 단계를 상세히 설명하고자 한다. 이때, 본 발명은 제 1 기판, 제 2 기판 접합시 사용되는 접합제로서 서로 상이한 물성, 예컨대 용융점, 용매에 대한 선택적 용해성 등을 갖는 접합제들을 사용하게 되면, 상기 접합체로부터 제 1 기판과 제 2 기판을 순차적으로 용이하게 분리할 수 있다는 또 다른 특징이 있다.
1) 제 1 기판의 홈 형성 단계(도 3a 참조)
사파이어 기판과 동일하거나 또는 큰 제 1 기판을 당 업계에 통상적인 방법, 예컨대 다이싱(dicing) 및/또는 스크라이빙(scribing)을 통해 홈을 형성한다. 이때, 홈의 간격 및 깊이는 전술한 바와 동일하다.
일례로, 다이아몬드 팁에 의한 스크라이빙 공정시, 폭과 깊이를 임의로 조절하기 곤란하나, 폭과 깊이를 각각 2㎛ 및 1 내지 10㎛으로 조절할 수 있다. 또한, 레이저에 의한 스크라이빙 공정시, 대체로 50㎛ 이하로 전체 웨이퍼 깊이의 절반 정도까지 커팅할 수 있다. 레이저는 파워가 높을수록 홈의 폭이 넓어지는 경향이 있으나, 파워 조절로 인해 폭과 깊이를 조절할 수 있다는 장점이 있다.
2) 제 1 기판의 접합 단계(도 3b 및 도 3c 참조)
사파이어 기판상에 성장된 발광다이오드부와 제 1 기판의 제 1 면을 제 1 접합제를 사용하여 접합시킨다. 이때, 발광다이오드부가 성장된 사파이어 기판과 제 1 기판을 접합하는데 사용할 수 있는 제 1 접합제는 당 업계에 알려진 통상적인 접합 물질, 예컨대 상온에서 고체 상태인 고분자 물질을 사용할 수 있다. 이와 같이, 제 1 접합제를 사용하여 접합된 사파이어 기판과 제 1 기판과의 접합체 형태는 도 3c와 같다.
3) 제 2 기판의 접합 단계 (도 3d 참조)
제 1 기판의 제 2면과 제 2 기판의 제 1면을 제 2 접합제를 사용하여 접합시킨다. 이와 같이 사파이어 기판과 제 1 기판의 접합체 중 제 1 기판의 제 2면과 제 2 기판의 제 1면이 접합된 단면은 도 3d와 같다.
제 2 기판 역시 사파이어 기판을 고정시켜주는 역할만 한다면 이의 재질, 크기나 형태는 특별한 제한이 없다. 특히, 상기 제 2 기판은 통상적으로 래핑 및 폴리싱 장비에 부착된 형태로 사용되므로, 가능한 사용하고자 하는 래핑 및 폴리싱 장비의 규격에 따라 적절히 결정될 수 있다. 제 2 기판의 바람직한 두께 범위는 2 내지 5cm 정도이며, 이의 비제한적인 예로는 세라믹 블록 등이 있다.
사파이어 기판과 제 1 기판과의 접합체와 제 2 기판을 접합하는데 사용할 수 있는 제 2 접합제는 전술한 바와 같이 상온에서 고체 상태인 고분자 물질을 사용할 수 있다.
이때, 사파이어 기판과의 접합체로부터 제 1 기판과 제 2 기판을 순서에 따 라 선택적으로 분리하기 위해서, 제 1 접합제와 제 2 접합제는 서로 상이한 물성, 예컨대 용융점, 용매에 대한 선택적 용해성 등을 갖는 것이 요구된다.
즉, 도 3d에 나타난 사파이어 기판 - 제 1 접합제 층 - 제 1 기판 - 제 2 접합제 층 - 제 2 기판으로 구성된 최종 접합체로부터 제 2 기판을 우선적으로 분리하기 위해서, 제 1 접합제와 구별되는 2 접합제만의 독특한 물성(예, 용융점 또는 특정 용매에 대한 선택적 용해성)을 이용하게 되면, 사파이어 기판과 제 1 기판의 접합은 그대로 유지된 상태로 제 2 기판만을 용이하게 분리할 수 있다. 또한, 제 2 기판을 분리한 이후에도 사파이어 기판은 접합된 제 1 기판에 의해 고정되므로 구조적 안정성이 그대로 유지된다.
따라서, 상기 제 1 접합제는 추후 사용하는 제 2 접합제와는 용융점이 서로 상이하거나 및/또는 동일한 용매에는 용해되지 않고 서로 다른 용매에 용해되는 물질을 사용하는 것이 적절하다. 이때, 서로 상이한 용융점을 갖는 제 1 접합제와 제 2 접합제를 사용할 경우, 제 1 접합제는 제 2 접합제의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 물질일 수 있다. 사용 가능한 제 1 접합제의 비제한적인 예로는 폴리 메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate: PMMA) 등이 있으며, 제 2 접합제의 비제한적인 예로는 왁스(shift wax) 등이 있다.
상기 제 1 기판의 접합 단계와 제 2 기판의 접합 단계는 전술한 접합제들을 사용하면서 열, 압력 또는 열과 압력을 가하여 진행할 수 있다. 이때, 온도 범위는 사용하는 접합제의 용융점 또는 그보다 높기만 하면 특별한 제한이 없으나, 발광다이오드 소자에 영향을 주지 않는 약 250℃ 이하의 온도가 바람직하며, 압력 범위 역시 특별한 제한이 없다. 일례로, 접합시에는 열을 가하여 용융시켜 접합한 후 온도를 내리면 된다.
4) 사파이어 기판의 가공 단계 (도 3e 참조)
상기 단계 (3)의 결과물인 최종 접합체 중 사파이어 기판의 제 2면을 가공, 예컨대 그라인딩, 래핑 및 폴리싱 처리한다. 이때 그라인딩 공정은 사파이어 기판 두께를 목표로 하는 두께 정도로 빠른 속도로 갈아내는 것이며, 이후 래핑 및 폴리싱 등의 공정은 갈아낸 표면을 경면(鏡面) 처리하는 것이다. 사파이어 기판의 뒷면이 경면(鏡面)이어야 하는 이유는, 이후의 공정인 스크라이빙(scribing) 및 브레이킹(breaking) 공정시 사파이어 후면(後面)을 통하여 전면(前面)에 있는 발광 다이오드부의 패턴을 인식하기 위해서이다.
제 2 기판은 종래 기술과 동일하게 사파이어 기판을 얇게 가공하는 그라인딩, 래핑 및 폴리싱 공정시까지 사파이어 기판을 고정해주는 반면, 제 1 기판은 단위칩을 형성하고 이후 리드프레임에 접합하기까지 사파이어 기판과 접합된 상태로 존재하기 때문에, 종래 사파이어 가공 기술의 한계인 80㎛ 이하, 바람직하게는 5 내지 80㎛ 범위, 보다 바람직하게는 40 ㎛ 이하의 두께를 갖도록 사파이어 기판을 가공 처리할 수 있다. 이와 같이 본 발명은 종래 사파이어 기판 두께보다 얇은 두께를 갖는 사파이어 기판의 제공을 통해, 발광다이오드 소자의 열방출 효율 증대를 구현할 수 있다. 이와 같은 과정은 도 3과 같이 도시될 수 있다.
5) 제 2 기판 분리(도 3f 참조)
제 2 접합제에 선택적인 용매를 사용하거나 및/또는 제 2 접합제의 용융점 이상의 온도를 가함으로써, 사파이어 기판-제 1 기판-제 2 기판의 접합체로부터 제 2 기판을 용이하게 분리할 수 있다. 일례로, 분리시에는 열을 가하여 제 2 기판을 분리시킨 후 온도를 내리게 되며, 이때 표면에 부착되어 있는 잔여 접합물질은 알코올, 아세톤 등의 유기 용매를 사용하여 녹여낸다.이때, 제 2 기판이 분리된 이후에도 사파이어 기판은 제 1 기판에 의해 그대로 고정된다.
6) 단위칩 분리 단계
경면 처리된 사파이어 기판면을 스크라이빙한다. 제 1 기판은 이미 스크라이빙 처리되어 있으므로 다이싱하거나 스크라이빙 처리할 필요가 없다. 이후 브레이킹을 수행하면 단위칩으로 분리된다. 일반적으로 스크라이빙(scribing)은 끝이 뾰족하고 강도가 우수한 다이아몬드 팁이나 레이저로 웨이퍼 표면에 선을 긋는 작업을 말하고, 브레이킹(breaking)은 스크라이빙에서 그어진 선을 따라 충격을 주어 절단하는 작업을 말한다.
7) 리드프레임과의 접합 및 제 1 기판 분리
가공된 사파이어 기판의 제 2면을 리드프레임에 접합시킨 후, 제 1 기판을 분리한다. 사파이어 기판과 리드프레임의 접합에는 당 업계에 알려진 접합이 용이한 물질을 사용할 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 은 페이스트(siver paste), 솔더(solder) 등이 있다. 또한, 접합력 개선을 위해서 필요에 따라 사파이어 기판면에 금속층을 진공 증착할 수 있다. 이때, 접합 물질로 AgSn, AuSn 등의 금속 박막을 증착하여 접합 금속으로 이용할 수 있는데, 금속 박막을 증착한다면 적어도 브레이킹 단계 이전에 수행하는 것이 적절하다.
상기와 같이 리드프레임 상에 부착된 사파이어 기판과 제 1 기판의 접합체에, 제 1 접합체를 선택적으로 용해시킬 수 있는 용매를 사용하거나 및/또는 제 1 접합체의 용융점 이상의 온도를 가하면, 상기 사파이어 기판과 제 1 기판의 접합체로부터 제 1 기판을 용이하게 분리할 수 있다. 이때, 제 1 기판이 분리되더라도 사파이어 기판은 이미 리드프레임에 완전히 접합된 상태이므로, 사파이어 기판의 구조적 안정성은 그대로 유지된다.
8) 와이어 본딩
다음으로, 사파이어 기판상에 제작된 발광다이오드부 중 n-오믹 접촉 금속층과 p-오믹 접촉 금속층을 각각 금(gold) 와이어 본딩을 통해 외부 전원과 연결하면 하기 도 1과 같은 전면발광형 발광다이오드 소자가 제작된다. 이때, 도 1의 리드프레임 형상은 저출력용의 발광다이오드 소자 제작에 주로 이용되는 램프형이며, 고출력의 경우에는 리드프레임의 형상이 표면실장형(SMD) 등이 된다.
9) 몰딩 단계
이후 에폭시와 같은 몰딩재, 형광체 또는 형광체가 혼합된 몰딩재를 씌우면 발광 다이오드 소자의 제작이 완료된다.
전술한 바와 같이 구성된 발광다이오드 소자는 하기와 같은 원리에 의해 작동될 수 있다. 즉, 외부 전원과 연결된 와이어를 통해 특정 전압이 인가되면, n형 도전성 패드부, n-형 오믹 접촉 금속, n형층을 통해 음극이 연결되고, p형 도전성 패드부, p-형 오믹 접촉 금속, p형층을 통해 양극이 연결되어 전류가 주입된다. 이로 인해 활성층에서는 전자와 정공이 서로 재결합하면서 활성층의 밴드갭 또는 에 너지 레벨 차이에 해당하는 만큼의 에너지를 갖는 빛을 발광하게 된다.
상기에 제시된 본 발명의 사파이어 기판 가공 기술을 이용할 경우, 단순한 제작 공정, 낮은 생산 단가, 높은 양산성 등의 장점을 가진 전면발광형 고출력 발광 다이오드 제작이 가능하다. 특히 열방출이 개선되어 소자의 신뢰성이 확보되므로, 향후 방대한 시장 형성이 예측되는 LCD TV용 광원 및 조명 기기 등의 응용 제품 제작에 강점을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 사파이어 기판의 가공기술 구현으로 인하여 고출력 발광 다이오드의 제작에 획기적인 전환점이 될 수 있다.
전술한 사파이어 가공 기술을 이용한 본 발명의 전면 발광형 발광다이오드 소자의 제조방법의 바람직한 일 실시예로는, 발광 다이오드 결정 구조가 성장된 사파이어 기판을 리드프레임에 올린 후 양(兩) 전극(11, 12)을 형성시키고 이들을 각각 외부 전원에 연결하는 방식에 의하여 제조되며, 각 공정은 하기와 같이 구성될 수 있다.
(1) 사파이어 기판 상에 발광다이오드부 성장 단계
우선, 금속유기화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition: MOCVD) 등의 방법을 사용하여 n형층, 활성층(일명 발광층), p형층이 차례로 적층된 사파이어 기판(10)을 준비한다. 이때, 상기 n형층, 활성층, p형층은 당 업계에 알려진 통상적인 질화갈륨계 화합물, 예컨대 GaN, GaAlN, InGaN, InAlGaN 또는 이들의 혼합물 등을 사용하여 형성시킬 수 있으며, 필요에 따라 이들 화합물 반도체층과 사파이어 기판 사이에 버퍼층을 형성할 수도 있다.
(2) 식각 단계
소정의 영역에 해당하는 p형층과 활성층을 건식 에칭하여 n형층의 일부 상면을 노출시킨다.
(3) n-오믹 접촉 금속 형성 단계
식각 처리를 통해 드러난 n형층 표면에 소정의 전압을 인가하기 위한 n-형 오믹 접촉 금속을 증착시킨다.
(4) p-오믹 접촉 금속 또는 투광성 p-오믹 접촉 금속 형성 단계
발광다이오드부 상부인 p형층 표면에 진공 증착으로 투광성 p-오믹 접촉 금속을 형성시키고 열처리를 수행한 후, 와이어 본딩을 위한 p-오믹 접촉 금속을 형성하여 p-오믹 접촉을 형성한다. 보다 간편한 제작을 위해서는 상기 식각 단계(2) 수행 후, 투광성 p-오믹 접촉 금속을 형성시키고 이어서 열처리를 수행한 후 n-오믹 접촉 금속과 p-오믹 접촉 금속을 동시에 형성시킬 수도 있다.
(5) 제 1 기판의 홈 형성 단계 (도 3a 참조)
전술한 바와 같이, 제 1 기판의 한면 또는 양면상에 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 하나 이상의 홈을 일정 간격으로 형성한다.
(6) 제 1 기판의 접합 단계 (도 3b 및 도 3c 참조)
전술한 바와 같이, 사파이어 기판상에 성장된 발광다이오드부와 한면 또는 양면 상에 하나 이상의 홈이 일정 간격으로 형성된 제 1 기판의 제 1면을 제 1 접합제를 사용하여 접합시킨다.
(7) 제 2 기판의 접합 단계 (도 3d 참조)
전술한 바와 같이, 제 1 기판의 제 2면과 제 2 기판의 제 1면을 제 2 접합제 를 사용하여 접합시킨다.
(8) 사파이어 기판면의 가공(폴리싱) 단계 (도 3e 참조)
전술한 본 발명의 사파이어 가공 기술에 따라 원하는 두께 범위로 가공한다.
(9) 제 2 기판 분리 (도 3f 참조)
전술한 바와 같이, 제 2 접합제에 선택적인 용매를 사용하거나 및/또는 제 2 접합제의 용융점 이상의 온도를 가하여 제 2 기판을 분리한다.
(10) 단위칩 분리 단계
전술한 본 발명의 사파이어 가공 기술에 따라 제 1 기판과 가공된 사파이어 기판의 접합체를 스크라이빙/브레이킹 처리하여 단위 발광다이오드 칩(chip)을 형성한다.
(11) 리드프레임 접합 및 제 1 기판 분리 단계
단위칩 형태로 사파이어 기판의 제 2면(가공면)을 발광다이오드 패키징을 위한 리드프레임에 접합시킨다. 접합에는 당 분야에 알려진 접합제, 예컨대 은 페이스트(silver paste), 솔더(solder), Sn 계열의 저융점 합금 박막, 혹은 In 계열의 저융점 합금 박막 등이 사용될 수 있다. 이후 전술한 바와 같이 제 1 기판을 제거한다.
(12) 와이어 본딩 및 몰딩재 처리 단계
양극 및 음극 결선을 위한 금(gold) 와이어 본딩을 수행한 후, 에폭시와 같은 몰딩재 또는 형광체가 혼합된 몰딩재를 씌워서 발광다이오드 제작을 완료한다.
상기 제시된 발광다이오드 소자의 제조 방법은 바람직한 일 실시 형태를 든 것에 불과하며, 이에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 상기와 같이 제조된 발광다이오드 소자를 제공한다. 이때, 본 발명의 발광다이오드 소자는 당 업계에 알려진 통상적인 발광 다이오드 소자, 예컨대 청색 질화물계 발광다이오드 소자 뿐만 아니라 다른 모든 파장의 발광다이오드 소자를 포함하며, 사파이어 기판을 일 구성 요소로 하는 모든 발광다이오드 소자에 적용 가능하다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 방법에 따라 제조되는 발광다이오드 소자를 구비하는 발광 장치를 제공한다. 상기 발광 장치는 발광다이오드 소자를 구비하는 모든 발광 장치를 포함하며, 일례로 조명 장치, 표시부, 살균 램프, 디스플레이부 등이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
1-1. 실리콘 웨이퍼의 홈 형성
2인치 실리콘 웨이퍼의 전면에 다이싱 장비를 이용하여 실리콘 웨이퍼 전체 두께의 약 26% 깊이로 다이싱하였다. 실리콘 웨이퍼의 두께가 380 ㎛ 이었으므로 다이싱한 깊이는 약 100 ㎛ 이었고 다이싱된 폭은 다이싱 블레이드의 폭인 약 50 ㎛이었다. 실리콘 웨이퍼 상의 다이싱된 주기는 1 mm 이었으며 한쪽 방향으로 웨이퍼 전체를 다이싱한 후 90도 회전시켜 다시 웨이퍼 전체를 다이싱하여 최종적으로 제작될 발광다이오드 칩의 크기인 1×1 mm2 와 일치되게 하였다.
1-2. 사파이어 기판과 실리콘 웨이퍼 접합
질화갈륨계 발광다이오드부가 제작된 2 인치 사파이어 기판을 제 1 접합제로 PMMA를 사용하여 250 ㎛ 두께를 가진 2 인치 실리콘 웨이퍼에 접합시켰다. 접합시 실리콘 웨이퍼의 다이싱된 선과 사파이어 기판을 최종적으로 단위 발광다이오드로 자를 선을 일치시켜 정렬하였다. 이때, PMMA를 이염화에탄(Dichloroethane)에 약 30%의 농도로 녹여서 실리콘 웨이퍼의 전면에 스핀 코팅하였으며, 코팅된 실리콘 웨이퍼를 110℃에서 10 분간 건조하여 이염화에탄을 증발시키고, 실리콘 웨이퍼 표면 중 PMMA가 코팅된 면을 사파이어 웨이퍼의 발광다이오드부 면(面)에 프레스를 이용하여 180℃에서 압착하여 접착시켰다.
1-3. 세라믹 블록과 접합
이어서, 세라믹 블록을 125℃로 가열하고 접합시킬 부분에 왁스(Shift wax)를 올려 녹였다. 상기 왁스는 종래의 기술에 의한 사파이어 기판의 가공에 있어서 사파이어 기판과 세라믹 블록의 접착에 일반적으로 사용되는 제품으로서, 상온에서는 고체이나 125℃ 정도의 온도에서는 액체로 변한다. 녹은 왁스에 사파이어가 접착된 실리콘 웨이퍼의 뒷면을 접착시킨 후 프레스로 압착하면서 상온으로 식혀 세라믹 블록과의 접착을 완성하였다.
1-4. 사파이어 기판의 제 2면(후면) 가공
사파이어 기판의 뒷면을 다이아몬드 정반을 이용하여 갈아낸 후 래핑 (lapping) 및 폴리싱(polishing) 처리하여 사파이어 기판의 두께를 약 35 ㎛ 정도의 두께로 가공하였다.
1-5. 세라믹 블록 제거
세라믹 블록을 제거하기 위하여, 세라믹 블록을 다시 125℃ 정도의 온도로 가열하여 왁스를 녹이고 이로부터 사파이어 기판과 실리콘 웨이퍼 접합체를 분리하였다. 실리콘 웨이퍼에 남은 잔여 왁스는 알코올을 이용하여 세척하였다. 이때 실리콘 웨이퍼와 사파이어 기판을 접착시킨 PMMA는 전혀 반응하지 않고 그대로 유지되었다.
1-6. 단위 발광 다이오드 칩 제조 및
리드프레임
접합
이어서, 사파이어 기판면을 스크라이빙 및 브레이킹 처리하여 단위 발광 다이오드 칩의 크기로 잘라내었다. 잘라진 발광 다이오드 단위 칩의 사파이어 기판면을 리드프레임에 은페이스트를 이용하여 접합하였다. 접합시 온도는 약 130℃ 정도이었다.
1-7. 실리콘 웨이퍼 제거 및 발광 다이오드 제작
이후 리드프레임을 아세톤에 넣어서 PMMA를 녹여냄과 동시에 실리콘 웨이퍼를 제거하고 추가적인 아세톤 처리로 세정하였다. 노출된 발광 다이오드 구조에 금 와이어 본딩을 수행하고 몰딩하여 발광다이오드 소자 제작을 완료하였다.
본 발명은 전면발광형 발광 다이오드의 제작에 사용되는 사파이어 기판의 두께를 최소화하는 방법에 관한 것으로, 종래 기술에 의한 전면발광형 구조에 비하여 열방출이 개선되므로 특히 고출력 발광 다이오드의 제작에 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (25)
- (a) 제 1면 상에 발광다이오드부가 성장된 사파이어 기판; (b) 한면 또는 양면 상에 하나 이상의 홈이 일정 간격으로 형성된 제 1 기판; 및 (c) 상기 제 1 기판의 어느 한면에 접합되는 제 2 기판을 포함하는 접합체로서,상기 제 1 기판의 하나 이상의 홈이 형성된 한면, 또는 양면 중 어느 한면과 상기 사파이어 기판의 발광다이오드부가 제 1 접합제에 의해 서로 접합되고, 상기 사파이어 기판이 접합되지 않은 상기 제 1 기판의 다른 한면과 상기 제 2 기판이 제 2 접합제에 의해 서로 접합되는 것이 특징인 접합체.
- 제 1항에 있어서, 상기 접합체는 사파이어 기판 상에 일정 간격으로 존재하는 하나 이상의 발광다이오드부가 제 1 기판의 한면 또는 양면 상에 형성된 홈 사이의 공간에 배치되어 접합제에 의해 접합된 것인 접합체.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 기판은 사파이어 기판의 크기와 동일하거나 큰 것인 접합체.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 기판은 실리콘 또는 알루미나 재질로 구성된 것인 접합체.
- 제 1항에 있어서, 제 1 기판은 금속 기판, 실리콘 웨이퍼 또는 세라믹 웨이퍼인 접합체.
- 제 1항에 있어서, 제 1 기판의 두께는 150 내지 300㎛ 범위인 접합체.
- 제 1항에 있어서, 상기 홈은 스크라이빙(scribing) 또는 다이싱(dicing) 공정에 의해 형성된 것인 접합체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 홈은 서로 평행한 직선 형태의 수직 패턴이거나 또는 하나 이상의 직선이 교차하는 격자(cross stripes) 패턴인 접합체.
- 제 7항에 있어서, 다이싱 공정에 의해 형성된 홈의 폭은 15 내지 250㎛ 범위이며, 홈의 깊이는 제 1 기판 두께의 5 내지 50% 범위인 접합체.
- 제 7항에 있어서, 스크라이빙 공정에 의해 형성된 홈의 폭은 1 내지 100 ㎛ 범위이며, 홈의 깊이는 1 내지 150 ㎛ 범위인 접합체.
- 제 1항에 있어서, 상기 사파이어 기판의 제 2면은 경면(鏡面)이 형성된 것인 접합체.
- 제 1항에 있어서, 상기 사파이어 기판은 5 내지 80㎛ 범위의 두께를 갖는 것이 특징인 접합체.
- 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 접합체 중 사파이어 기판의 두께를 5 내지 80㎛ 범위로 가공하고 제 2 기판을 제거한 후, 제 1 기판의 한면 또는 양면상에 형성된 홈 부위를 절단하여 분리된 단위칩(unit chip).
- 제 13항에 있어서, 상기 절단은 다이싱(dicing), 스크라이빙(scribing) 및 브레이킹(breaking)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 공정에 의한 것인 단위칩.
- 사파이어 기판상에 성장된 발광다이오드부를 구비한 발광다이오드 소자의 제조방법에 있어서,(a) 제 1 기판의 한면 또는 양면상에 하나 이상의 홈을 일정 간격 형성하는 단계;(b) 사파이어 기판상에 성장된 발광다이오드부와 제 1 기판의 제 1면을 제 1 접합제를 사용하여 접합시키는 단계;(c) 상기 단계 (b)의 결과물인 접합체의 제 1 기판의 제 2면과 제 2 기판의 제 1면을 제 2 접합제를 사용하여 접합시키는 단계;(d) 상기 단계 (c)의 결과물인 접합체 중 사파이어 기판의 제 2면을 가공한 후, 제 2 기판을 분리하는 단계;(e) 상기 단계 (d)의 결과물인 제 2 기판이 분리된 접합체를 단위 칩으로 분리하는 단계; 및(f) 상기 단위 칩 중 가공된 사파이어 기판의 제 2면을 리드프레임에 접합시킨 후, 제 1 기판을 분리하는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 제조방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 단계 (b)의 제 1 접합제와 단계 (c)의 제 2 접합제는 용융점이 서로 상이한 물질인 것이 특징인 제조방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 제 1 접합제는 제 2 접합제 보다 용융점이 높은 물질인 제조방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 단계 (b)의 제 1 접합제와 단계 (c)의 제 2 접합제는 서로 다른 용매에 용해되는 물질인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 단계 (b)와 (c)에서의 접합은 가열, 가압 또는 가열과 가압에 의해 수행되는 것인 제조방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 단계 (d) 및 단계 (f)에서 제 1 기판 및 제 2 기판의 분리는 제 1 접합제 또는 제 2 접합제가 갖는 용융점 이상으로 승온시켜 분리하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 삭제
- 제 15항에 있어서, 상기 단계 (e) 이전에, 사파이어 기판의 제 2면 상에 Au 또는 Ag 금속층을 증착하는 단계를 포함하는 제조방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 단계 (d) 및 단계 (f)에서 제 1 기판 및 제 2 기판의 분리는 제 1 접합제 또는 제 2 접합제가 동시에 용해되지 않고 각각 선택적으로 용해되는 용매를 사용하여 분리하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 단계 (d) 및 단계 (f)에서 제 1 기판 및 제 2 기판의 분리는 제 1 접합제 또는 제 2 접합제가 갖는 용융점 이상의 승온 및 제 1 접합제 또는 제 2 접합제가 동시에 용해되지 않고 각각 선택적으로 용해되는 용매를 동시에 사용하여 분리하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제20항, 제23항 및 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (d)에서 제 2 기판의 분리는 제 2 접합제가 갖는 용융점 이상으로 승온시키되, 제 1 접합제의 용융점 이하까지 승온하는 것인 제조방법.
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